- Khái niệm cơ bản nhanh về Op-Amp
- Tại sao chúng ta cần Bù tần số trong Op-Amps?
- Kỹ thuật bù tần số nội bộ
- Bù tần số của Op-amp - Mô phỏng thực tế
Bộ khuếch đại hoạt động hoặc Op-Amps được coi là công việc của các thiết kế điện tử tương tự. Trở lại từ thời kỳ máy tính Analog, Op-Amps đã được sử dụng cho các phép toán với điện áp tương tự do đó có tên là bộ khuếch đại hoạt động. Cho đến nay Op-Amps được sử dụng rộng rãi để so sánh điện áp, phân biệt, tích hợp, tổng kết và nhiều thứ khác. Không cần phải nói, các mạch Bộ khuếch đại hoạt động rất dễ thực hiện cho các mục đích khác nhau nhưng nó có một số hạn chế thường dẫn đến sự phức tạp.
Thách thức lớn là cải thiện tính ổn định của op-amp trong một băng thông rộng của các ứng dụng. Giải pháp là bù tần số cho bộ khuếch đại, bằng cách sử dụng mạch bù tần số trên bộ khuếch đại hoạt động. Sự ổn định của một bộ khuếch đại phụ thuộc nhiều vào các thông số khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta hãy hiểu tầm quan trọng của Bù tần số và cách sử dụng nó trong các thiết kế của bạn.
Khái niệm cơ bản nhanh về Op-Amp
Trước khi đi thẳng vào ứng dụng trước của bộ khuếch đại hoạt động và cách ổn định bộ khuếch đại bằng kỹ thuật bù tần số, chúng ta hãy tìm hiểu một vài điều cơ bản về bộ khuếch đại hoạt động.
Một bộ khuếch đại có thể được cấu hình dưới dạng cấu hình vòng hở hoặc cấu hình vòng kín. Trong cấu hình vòng hở, không có mạch phản hồi nào được liên kết với nó. Nhưng trong cấu hình vòng kín, bộ khuếch đại cần phản hồi để hoạt động tốt. Hoạt động có thể có phản hồi tiêu cực hoặc phản hồi tích cực. Nếu mạng phản hồi tương tự qua đầu cuối tích cực của op-amp, nó được gọi là phản hồi tích cực. Nếu không, các bộ khuếch đại phản hồi âm có mạch phản hồi được kết nối qua đầu cuối âm.
Tại sao chúng ta cần Bù tần số trong Op-Amps?
Chúng ta cùng xem mạch khuếch đại bên dưới. Nó là một mạch Op-Amp không đảo ngược phản hồi tiêu cực đơn giản. Mạch được kết nối như một cấu hình tuân theo thống nhất-độ lợi.
Mạch trên rất thông dụng trong điện tử. Như chúng ta đã biết, các bộ khuếch đại có trở kháng đầu vào rất cao trên đầu vào và có thể cung cấp một lượng dòng điện hợp lý trên đầu ra. Do đó, các bộ khuếch đại hoạt động có thể được điều khiển bằng cách sử dụng tín hiệu thấp để điều khiển tải dòng điện cao hơn.
Nhưng dòng điện tối đa mà op-amp có thể cung cấp để điều khiển tải một cách an toàn là bao nhiêu? Mạch trên đủ tốt để điều khiển tải điện trở thuần (tải điện trở lý tưởng) nhưng nếu chúng ta kết nối tải điện dung qua đầu ra, op-amp sẽ trở nên không ổn định và dựa trên giá trị của điện dung tải trong trường hợp xấu nhất thì op-amp có thể thậm chí bắt đầu dao động.
Hãy cùng khám phá lý do tại sao op-amp không ổn định khi tải điện dung được kết nối qua đầu ra. Mạch trên có thể được mô tả như một công thức đơn giản:
A cl = A / 1 + Aß
Một cl là độ lợi của vòng kín. A là độ lợi vòng hở của bộ khuếch đại. Các
Hình ảnh trên là đại diện của công thức và mạch khuếch đại hồi tiếp âm. Nó hoàn toàn giống với bộ khuếch đại âm truyền thống đã nêu trước đây. Cả hai đều chia sẻ đầu vào AC trên đầu cuối tích cực và cả hai đều có cùng phản hồi ở đầu cuối âm. Vòng tròn là đường giao nhau tổng có hai đầu vào, một đầu vào từ tín hiệu đầu vào và đầu vào thứ hai từ mạch phản hồi. Vâng, khi bộ khuếch đại làm việc ở chế độ phản hồi âm, điện áp đầu ra hoàn chỉnh của bộ khuếch đại sẽ chạy qua đường phản hồi đến điểm nối tổng. Tại điểm giao nhau tổng, điện áp phản hồi và điện áp đầu vào được cộng lại với nhau và cấp trở lại đầu vào của bộ khuếch đại.
Hình ảnh được chia thành hai giai đoạn đạt được. Thứ nhất, nó hiển thị mạch vòng kín hoàn toàn vì đây là mạng vòng kín và cũng là mạch vòng hở op-amps vì op-amp hiển thị A là một mạch hở độc lập, phản hồi không được kết nối trực tiếp.
Đầu ra của đường giao nhau tổng được khuếch đại thêm bởi độ lợi vòng hở op-amp. Do đó, nếu điều hoàn chỉnh này được biểu diễn dưới dạng một phép toán học, kết quả đầu ra trên đường giao nhau tổng là:
Vin - Voutß
Điều này rất hiệu quả để khắc phục sự cố không ổn định. Mạng RC tạo ra một cực ở mức thống nhất hoặc độ lợi 0dB chiếm ưu thế hoặc loại bỏ hiệu ứng cực tần số cao khác. Chức năng truyền của cấu hình cực trội là -
Trong đó, A (s) là hàm truyền không bù, A là độ lợi vòng hở, ώ1, ώ2 và ώ3 là các tần số mà độ lợi cuộn tắt ở -20dB, -40dB, -60dB tương ứng. Biểu đồ Bode bên dưới cho thấy điều gì sẽ xảy ra nếu kỹ thuật bù cực ưu thế được thêm vào trên đầu ra op-amp, trong đó fd là tần số cực chi phối.
2. Phần bù Miller
Một kỹ thuật bù hiệu quả khác là kỹ thuật bù cối xay và nó là kỹ thuật bù trong vòng trong đó một tụ điện đơn giản được sử dụng có hoặc không có điện trở cách ly tải (điện trở Nulling). Điều đó có nghĩa là một tụ điện được kết nối trong vòng phản hồi để bù đáp ứng tần số op-amp.
Các mạch bồi thường miller được hiển thị bên dưới. Trong kỹ thuật này, một tụ điện được kết nối với phản hồi bằng một điện trở trên đầu ra.
Mạch là một bộ khuếch đại phản hồi âm đơn giản với độ lợi đảo phụ thuộc vào R1 và R2. R3 là điện trở rỗng và CL là tải điện dung trên đầu ra op-amp. CF là tụ điện phản hồi được sử dụng cho mục đích bù. Giá trị Tụ điện và điện trở phụ thuộc vào loại tầng khuếch đại, cực bù và tải điện dung.
Kỹ thuật bù tần số nội bộ
Các bộ khuếch đại hoạt động hiện đại có kỹ thuật bù bên trong. Trong kỹ thuật bù bên trong, một tụ điện phản hồi nhỏ được nối bên trong IC op-amp giữa các tầng thứ hai Bóng bán dẫn cực phát chung. Ví dụ, hình ảnh dưới đây là sơ đồ bên trong của op-amp LM358 phổ biến.
Tụ điện Cc được kết nối trên Q5 và Q10. Nó là Tụ bù (Cc). Tụ bù này cải thiện độ ổn định của bộ khuếch đại và cũng như ngăn chặn hiệu ứng dao động và đổ chuông trên đầu ra.
Bù tần số của Op-amp - Mô phỏng thực tế
Để hiểu thực tế hơn về bù tần số, chúng ta hãy thử mô phỏng nó bằng cách xem xét mạch bên dưới:
Mạch là bộ khuếch đại phản hồi âm đơn giản sử dụng LM393. Op-amp này không có sẵn bất kỳ tụ bù nào. Chúng tôi sẽ mô phỏng mạch trong Pspice với tải điện dung 100pF và sẽ kiểm tra xem nó sẽ hoạt động như thế nào trong hoạt động tần số thấp và cao.
Để kiểm tra điều này, người ta cần phân tích độ lợi vòng hở và biên độ pha của mạch. Nhưng nó là một chút khó khăn cho pspice vì mô phỏng mạch chính xác, như được hiển thị ở trên, sẽ đại diện cho độ lợi vòng kín của nó. Do đó cần phải xem xét đặc biệt. Bước chuyển đổi mạch trên để mô phỏng độ lợi vòng hở (độ lợi so với pha) trong pspice được nêu dưới đây,
- Đầu vào được nối đất để thu được phản hồi phản hồi; đầu vào đến đầu ra của vòng kín bị bỏ qua.
- Đầu vào đảo ngược được chia thành hai phần. Một là bộ chia điện áp và một cái khác là cực âm của op-amp.
- Hai phần được đổi tên để tạo ra hai nút riêng biệt và mục đích nhận dạng trong giai đoạn mô phỏng. Phần bộ chia điện áp được đổi tên thành phản hồi và đầu cuối âm được đổi tên thành đầu vào Inv. (Đầu vào nghịch đảo).
- Hai nút bị đứt này được nối với nguồn điện áp một chiều 0V. Điều này được thực hiện bởi vì, từ thuật ngữ của điện áp một chiều, cả hai nút có cùng điện áp, điều này cần thiết cho mạch để đáp ứng yêu cầu điểm hoạt động hiện tại.
- Mắc thêm vào nguồn điện một hiệu điện thế xoay chiều 1V. Điều này buộc chênh lệch điện áp hai nút riêng lẻ trở thành 1 trong quá trình phân tích AC. Một điều cần thiết trong trường hợp này, đó là tỷ lệ của phản hồi và đầu vào đảo ngược phụ thuộc vào độ lợi mạch hở.
Sau khi thực hiện các bước trên, mạch sẽ như thế này:
Mạch được cấp nguồn bằng đường ray cấp nguồn 15V +/-. Hãy mô phỏng mạch và kiểm tra biểu đồ bode đầu ra của nó.
Vì mạch không có bù tần số, như mong đợi, mô phỏng cho thấy độ lợi cao ở tần số thấp và độ lợi thấp ở tần số cao. Ngoài ra, nó đang thể hiện tỷ lệ pha rất kém. Hãy xem giai đoạn ở mức tăng 0dB là gì.
Như bạn có thể thấy ngay cả ở mức tăng 0dB hoặc giao nhau mức tăng thống nhất, op-amp đang cung cấp 6 độ dịch pha chỉ với tải điện dung 100pF.
Bây giờ chúng ta hãy ứng biến mạch bằng cách thêm một điện trở bù tần số và tụ điện để tạo ra bù máy nghiền trên op-amp và phân tích kết quả. Một điện trở rỗng 50 Ohms được đặt trên op-amp và đầu ra với tụ bù 100pF.
Mô phỏng được thực hiện và đường cong trông giống như bên dưới,
Đường cong Pha hiện đã tốt hơn nhiều. Sự chuyển pha ở mức tăng 0dB là gần 45,5 độ. Độ ổn định của bộ khuếch đại được tăng cao nhờ sử dụng kỹ thuật bù tần số. Do đó, đã chứng minh rằng kỹ thuật bù tần số rất được khuyến khích để có được sự ổn định tốt hơn của op-map. Nhưng băng thông sẽ giảm.
Bây giờ chúng tôi hiểu tầm quan trọng của việc bù tần số của opamp và cách sử dụng nó trong các thiết kế Op-Amp của chúng tôi để tránh các vấn đề mất ổn định. Hy vọng bạn thích đọc hướng dẫn và học được điều gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại chúng trong diễn đàn của chúng tôi hoặc trong phần bình luận bên dưới.